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Feb 06, 2024

Análise Experimental e Numérica de Thermo

Data: 26 de maio de 2023 Autores: Daniel Honfi, Johan Schöström, Chiara Bedon e Marcin Kozłowski Fonte: Fire 2022, 5(4), 124; MDPI DOI: https://doi.org/10.3390/fire5040124 Apesar de muitas pesquisas e

Data: 26 de maio de 2023

Autores: Dániel Honfi, Johan Sjöström, Chiara Bedon e Marcin Kozłowski

Fonte: Fogo 2022, 5(4), 124; MDPI

DOI:https://doi.org/10.3390/fire5040124

Apesar de muitas pesquisas e aplicações, o material de vidro e seu uso em edifícios ainda é um desafio para os engenheiros devido à sua fragilidade inerente e características como sensibilidade às concentrações de tensões, redução da resistência ao longo do tempo e da temperatura, e quebra devido às tensões que podem acumular devido a gradientes térmicos. Este artigo apresenta os resultados de uma série original de testes realizados em placas de vidro monolítico com dimensões de 500 × 500 mm2 e diferentes espessuras, sob exposição a aquecimento radiante.

A pesquisa também inclui um modelo unidimensional (1D) de transferência de calor e um modelo termomecânico numérico tridimensional (3D) que são utilizados para investigar com maior detalhe os fenômenos observados durante os experimentos. Como mostrado, o comportamento do vidro sob aquecimento radiante é bastante complexo e confirma a elevada vulnerabilidade deste material para aplicações construtivas. A usabilidade e o potencial dos modelos numéricos termomecânicos são discutidos com base no feedback experimental.

1.1. Fundo

Uma tendência recente na arquitetura moderna é fornecer o máximo de transparência ao interior do edifício, reduzindo as obstruções visuais da estrutura estrutural e do envelope [1]. Este movimento inclui a utilização crescente de elementos estruturais de vidro autoportantes e grandes painéis de vidro para as fachadas dos edifícios.

O vidro evoluiu rapidamente de um material de enchimento para um material estrutural, permitindo assim aos engenheiros projetar e construir paredes, vigas, colunas, pisos, escadas, etc., e utilizar vãos e grandes áreas transparentes que antes não eram possíveis. Um exemplo bem conhecido de maximização da transparência é a loja da Apple na Quinta Avenida, em Manhattan (ver Figura 1). No entanto, o projeto estrutural do vidro ainda é desafiador, por exemplo, devido à sua fragilidade inerente, sensibilidade às concentrações de tensão, redução na resistência ao longo do tempo e possível ruptura térmica [2]. Além disso, vários outros problemas em relação ao projeto estrutural seguro e econômico podem ser atribuídos à degradação relativamente comum dos materiais usados ​​em combinação com o vidro (devido a variações severas de umidade e temperatura, ou condições operacionais desfavoráveis ​​para vibrações, etc.).

Existem métodos e soluções para melhorar a robustez da aplicação estrutural do vidro, incluindo o aumento da resistência do vidro, tais como tratamento térmico, pré-esforço, polimento de bordas e prevenção ou mitigação dos riscos de falha frágil, por exemplo, através de detalhamento cuidadoso, laminação, membros compostos, sistemas de backup, fornecimento de caminhos de carga alternativos, etc. [3]. Situações excepcionais, como temperatura elevada durante um incêndio em um edifício, são desafiadoras e exigem considerações adicionais sobre tais medidas de robustez para garantir a segurança dos ocupantes do edifício e permitir a evacuação [4]. A principal estratégia de projeto é limitar a tensão no material e reduzir as consequências da quebra, uma vez que a fratura dos painéis de vidro não pode ser completamente evitada. No entanto, é importante compreender em que circunstâncias o vidro pode rachar para desenvolver uma base racional para situações extremas de design.

1.2. Objetivos, Escopo e Limitações

Este artigo centra-se na análise experimental e numérica do comportamento termomecânico de painéis de vidro monolíticos expostos ao aquecimento radiante. O seu objectivo é ajudar a preencher as lacunas de conhecimento mencionadas na Secção 2 e dar um passo inicial no desenvolvimento de uma metodologia para um projecto e avaliação estrutural mais racional do fogo para envidraçados arquitectónicos. Isto inclui uma abordagem onde as distribuições de temperatura esperadas na estrutura são simuladas através de modelagem numérica, e as tensões correspondentes são calculadas usando um modelo termomecânico de elementos finitos (FE). As tensões calculadas podem então ser verificadas em relação a critérios de projeto específicos para decidir se a segurança contra ruptura térmica é cumprida. A principal vantagem desta abordagem é a análise da distribuição de temperatura em todo o elemento estrutural e a possibilidade de combinar o efeito das ações térmicas e mecânicas.